Thiết bị cracking xúc tác trong nhà máy lọc dầu

Thiết bị cracking xúc tác nhà máy lọc dầu LỜI MỞ ĐẦU Trên giới, quốc gia xăng dầu coi hàng hoá đặc biệt quan trọng, máu huyết kinh tế quốc dân quốc phòng Ngày bối cảnh Việt Nam không ngừng phát đổi vươn lên đường cơng nghiệp hố đại hố đất nước, với máy móc, thiết bị cơng nghệ Vai trò xăng dầu ngày quan tâm đặc biệt Để đáp ứng kịp thời khối lượng xăng tiêu thụ ngày lớn ,người ta đưa phương pháp cracking xúc tác vào cơng nghiệp chế biến dầu mỏ,vì q trình chưng cất khí quyển, chưng cất chân khơng hay cracking nhiệt, khối lượng xăng thu không đáp ứng kịp thời nhu cầu thị trường Để thoả mãn nhu cầu nhiên liệu ngày tăng Ngành công nghiệp chế biến dầu mỏ sức cải tiến, hồn thiện quy trình cơng nghệ, thiết bị đồng thời áp dụng phương pháp chế biến sâu dây chuyền sản xuất nhằm chuyển hố dầu thơ tới mức tối ưu thành nhiên liệu sản phẩm quan trọng khác Một phương pháp đại áp dụng rộng rãi nhà máy chế biến dầu giới trình cracking xúc tác Thiết bị cracking xúc tác nhà máy lọc dầu MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU .1 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CRACKING XÚC TÁC .3 1.1 Sơ lược trình phát triển hệ thống cracking xúc tác 1.2 Điều kiện cơng nghệ q trình cracking xúc tác CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ CRACKING XÚC TÁC 2.1.Thiết bị phản ứng 2.2 Thiết bị tái sinh xúc tác .26 CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ CÔNG NGHỆ 39 Tài liệu tham khảo 41 Thiết bị cracking xúc tác nhà máy lọc dầu CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CRACKING XÚC TÁC 1.1 Sơ lược trình phát triển hệ thống cracking xúc tác Quá trình cracking xúc tác nghiên cứu từ cuối kỷ XIX, đến năm 1923, kỹ sư người Pháp tên Houdry đề nghị đưa q trình vào áp dụng cơng nghiệp Đến năm 1936, nhà máy cracking xúc tác xây dựng Mỹ, công ty Houdry Process corporation Ban đầu tồn nhiều nhược điểm hoạt động gián đoạn phức tạp cho vận hành, chuyển giao hai chu kỳ phản ứng tái sinh xúc tác thiết bị.Cho đến nay, sau 60 năm phát triển, trình ngày cải tiến hồn thiện, nhằm mục đích nhận nhiều xăng với chất lượng xăng ngày cao từ nguyên liệu có chất lượng ngày (từ phần cặn nặng hơn) Quá trình cracking nghiên cứu từ lâu giai đoạn đầu trình biến đổi tác dụng đơn nhiệt độ áp suất (quá trình cracking nhiệt) với hiệu suất chất lượng thấp,tiến hành điều kiện khắc nghiệt,tại nhiệt độ cao áp suất cao nhiên có ưu điểm chế biến phần cặn nặng dầu mỏ mà cracking xúc tác không thực Để nâng cao hiệu suất, chất lượng, cho phép tiến hành trình điều kiện mềm mại (nhiệt độ thấp hơn, áp suất thấp hơn) người ta đưa vào trình chất mà có khả làm giảm lượng hoạt hố,tăng tốc độ phản ứng, tăng tính chất chọn lọc (hướng phản ứng theo hướng cần thiết) khơng bị biến đổi q trình phản ứng chất xúc tác q trình gọi trình cracking xúc tác Cho đến nay,quá trình ngày cải tiến, hoàn thiện mặt (công nghệ, xúc tác, thiết bị ) cho phù hợp hơn.Phân xưởng FCC quy mô đưa vào vận hành Mỹ tháng 5/1942 theo mẫu thiết kế số 1(không giới thiệu đây) Mẫu nhanh chóng thay mẫu số Thiết bị cracking xúc tác nhà máy lọc dầu Hình 1: Sơ đồ hệ thống cracking xúc tác theo mẫu thiết kế số Sơ đồ gồm thiết bị dạng thùng rộng đặt gần mặt sàn thiết bị hoàn nguyên chất xúc tác vị trí cao thiết bị Chất xúc tác hydrocacbon hóa vào thiết bị có lớp xúc tác ổn định Các van điều chỉnh lắp đặt nhiều vị trí khác hệ thống để trì áp suất thấp thiết bị hoàn nguyên so với thiết bị Sau chiến tranh giới II, mẫu thiết kế hệ thống FCC dạng “nối tiếp” triển khai Thiết bị cracking xúc tác nhà máy lọc dầu Hình 2: Sơ đồ hệ thống FCC theo thiết kế mơ hình “nối tiếp” Sơ đồ gồm thiết bị áp suất thấp kết nối trực tiếp phần phía thiết bị hồn ngun chất xúc tác có áp suất cao Mẫu thiết kế bước chuyển quan trọng từ công nghệ cracking lớp chất xúc tác ổn định đến cracking hệ xúc tác lưu thể Giữa thập kỉ 50 kỉ trước mẫu thiết kế kiểu thiết bị ống đứng giới thiệu Thiết bị cracking xúc tác nhà máy lọc dầu Hình 3: Hệ thống FCC theo mơ hình “song song” UOP Trong mẫu thiết kế này, thiết bị hoàn nguyên xúc tác đặt gần mặt sàn thiết bị vị trí cao bên cạnh Chất xúc tác hoàn nguyên, nguyên liệu nguyên liệu hoàn nguyên đưa vào thiết bị ống đứng dài phía thiết bị So với thiết kế trước hiệu suất độ chọn lọc mẫu thiết kế cải thiện đáng kể Năm 1973, hệ thống FCC UOP lắp đặt thiết bị hồn ngun xúc tác mới, có hiệu cao việc chuyển hóa CO thành CO Từ sau, sở FCC thiết kế theo cơng nghệ hồn ngun xúc tác cải tiến, hiệu suất cốc giảm, phát thải CO thấp cải thiện chất lượng, độ chọn lọc sản phẩm Công nghệ FCC đại ngày sử dụng cụm thiết bị phản ứng hoàn nguyên xúc tác Thiết bị cracking xúc tác nhà máy lọc dầu Hình 4: Sơ đồ thiết bị phản ứng hoàn nguyên xúc tác UOP Trong vận hành, nguyên liệu ban đầu phần dầu nặng hoàn lưu đưa vào ống phản ứng với lượng định chất xúc tác hoàn nguyên Nguyên liệu gia nhiệt cách trao đổi nhiệt lò đốt nhiên liệu Chất xúc tác sau hồn ngun có nhiệt độ cao làm bay nguyên liệu Hơi hydrocacbon mang theo chất xúc tác di chuyển ống phản ứng từ lên Ở đỉnh ống phản ứng cracking cần thiết thực hiện, chất xúc tác lại nhanh chóng tách khỏi hydrocacbon để hạn chế phản ứng cracking thứ cấp Hỗn hợp chất xúc tác, hydrocacbon di chuyển phần bên thiết bị, qua phận tách hydrocacbon khỏi chất xúc tác Sự phân tách chất xúc Thiết bị cracking xúc tác nhà máy lọc dầu tác sản phẩm cracking trạng thái thực bước cuối xyclon Ưu điểm hệ phản ứng thời gian tiếp xúc ngắn nên đặc trưng cho thiết kế thiết bị đại Thiết bị thích hợp cho xúc tác zeolit có hoạt tính độ chọn lọc cao Sự tiếp xúc chất xúc tác nguyên liệu đảm bảo hoàn hảo chế độ thủy động học lưu thể Sản phẩm phản ứng chất xúc tác tách nhanh chóng trước đưa vào hệ hoàn nguyên Phản ứng cracking hoàn toàn ống đứng tạo hiệu suất cao cho gasolin olefin nhẹ C 3-C4 Nhiệt độ phản ứng cao áp dụng để tăng giá trị octan gasoline hiệu suất olefin nhẹ cho alkyl hóa ete hóa sau 1.2 Điều kiện cơng nghệ q trình cracking xúc tác Quá trình cracking xúc tác tiến hành điều kiện công nghệ : Nhiệt độ : 4700C – 5500C Ap suất vùng lắng lò phản ứng : 0,27 Mpa Tốc độ không gian thể tích : – 120 m3/m3 h (tùy thuộc vào dây truyền công nghệ) Tỷ lệ xúc tác/nguyên liệu : – 9/1 Bội số tuần hoàn nguyên liệu : Có thể cần khơng tuỳ thuộc mức độ biến đổi: Nếu mức độ biến đổi thấp 60% lượng tuần hồn tối đa 30% Khi mức độ chuyển hố cao 70% phải giảm lượng tuần hồn chí khơng cần tuần hồn Xúc tác cho trình cracking thường dùng xúc tác zeolit mang tính axít Sản phẩm q trình hỗn hợp phức tạp hydrocacbon loại khác nhau, chủ yếu hydrocacbon có số cacbon từ trở lên, với cấu trúc nhánh Thiết bị cracking xúc tác nhà máy lọc dầu CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ CRACKING XÚC TÁC Hình 5: Sơ đồ tổng quát phân xưởng Cracking xúc tác 2.1.Thiết bị phản ứng Hiện có nhiều Nhà cung cấp quyền cơng nghệ Cracking xúc tác tầng sôi, Nhà quyền lại có kiểu cấu tạo thiết bị khác Tuy nhiên, thiết bị Cracking xúc tác tầng sơi bao gồm phận sau: - Bình phản ứng (Reactor Vessel) - Ống phản ứng (Riser) - Bộ phận sục xúc tác (catalyst stripping Section) - Các Cyclone tách xúc tác - Các thiết bị phụ (Van chuyển xúc tác, hệ thống nạp liệu, ) Thiết bị cracking xúc tác nhà máy lọc dầu Hình 6: Sơ đồ cấu tạo thiết bị phản ứng cracking xúc tác (kiểu xếp chồng) 10 Thiết bị cracking xúc tác nhà máy lọc dầu chếhiện tượng phá huỷ xúc tác Thiết bị tái sinh xúc tác bao gồm phận sau: - Bình tái sinh (một bậc hai bậc) - Bộ phận phân phối khơng khí - Thiết bị làm mát tuần hoàn xúc tác tái sinh - Hệ thống tách xúc tác kéo theo khí thải (Cyclone) Cấu tạo chung thiết bị tái sinh mô tả hình vẽ 24 25 27 Thiết bị cracking xúc tác nhà máy lọc dầu Hình 25: Orthoflow FCC converter 28 Thiết bị cracking xúc tác nhà máy lọc dầu Hình 26:Thiết bị tái xinh xúc tác bậc 2.2.1 Bình tái sinh xúc tác Bình tái sinh xúc tác có chức tạo mơi trường để thực trình đốt cốc bám bề mặt xúc tác Thơng thường, bình tái sinh xúc tác chia làm hai ngăn, ngăn thứ vùng đốt cốc, ngăn thứ hai dùng chứa xúc tác tái sinh trước đưa tuần hoàn lại thiết bị phản ứng Đối với thiết bị tái sinh xúc tác hai bậc ngăn thứ hai đồng thời buồng đốt cốc bậc hai Thiết bị tái sinh xúc tác có nhiều dạng khác tùy theo cơng nghệ nguyên liệu chế biến Thiết bị tái sinh xúc tác chia thành dạng chính: - Thiết bị tái sinh bậc - Thiết bị tái sinh hai bậc - Thiết bị tái sinh có phận làm mát tuần hoàn xúc tác (Catalyst Cooler) 29 Thiết bị cracking xúc tác nhà máy lọc dầu Thiết bị tái sinh xúc tác bậc sử dụng thiết bị phản ứng cracking chế biến nguyên liệu có hàm lượng cặn cacbon hàm lượng kim loại nặng (Ni, V, Cu, ) không cao Thiết bị tái sinh xúc tác hai bậc sử dụng thiết bị phản ứng cracking chế biến nguyên liệu có hàm lượng cặn cacbon hàm lượng kim loại nặng (Ni, V, Cu, ) cao Mơ hình thiết bị tái sinh hai bậc mơ tả hình 27 28 Hình 27: Thiết bị phản ứng kiểu xếp chồng ( Công nghệ Stone & Webster) 30 Thiết bị cracking xúc tác nhà máy lọc dầu Hình 28: Thiết bị phản ứng kiểu song song ( Công nghệ IFP/Axens) Việc kiểm sốt nhiệt độ xúc tác q trình tái sinh có ý nghĩa quan trọng việc tuần hoàn xúc tác tạo điều kiện phản ứng tối ưu, đảm bảo hiệu suất chuyển hoá tối ưu, giảm lượng khí khơ phản ứng khơng mong đợi Chính vậy, số Nhà quyền cơng nghệ thiết kế thêm hệ thống làm nguội xúc tác tuần hồn bên ngồi buồng đốt cốc để kiểm sốt nhiệt độ trình tái sinh nhiệt độ xúc tác trước đưa vào thiết bị phản ứng.Mơ hình thiết bị tái sinh có thiết bị làm mát xúc tác tuần hồn ngồi mơ tả hình 28 31 Thiết bị cracking xúc tác nhà máy lọc dầu Hình 29: Sơ đồ cấu tạo thiết bị phản ứng cracking xúc tác tầng sôi (kiểu xếp chồng) 2.2.2 Bộ phận phân phối khí Để khơi phục bề mặt hoạt động xúc tác cần phải tiến hành đốt cốc bám bề mặt hạt xúc tác Quá trình đốt cốc thực nhờ khơng khí nén hoà trộn nhiên liệu đưa vào buồng đốt để hiệu trình đốt cốc cao, xúc tác sau tái sinh khơi phục lại hoạt tính mức độ chấp nhận việc phân phối khơng khí đốt xúc tác giữ vai trò quan trọng 32 Thiết bị cracking xúc tác nhà máy lọc dầu Hình 30: Bộ phận phân phối khí 33 Thiết bị cracking xúc tác nhà máy lọc dầu Hình 31:bộ phận phân phối khí Để khơng khí phân phối lớp xúc tác, phía buồng đốt tái sinh có hệ thống ống phân phối khí đặc biệt.Một số dạng phân phối khí mơ tả hình 29 30.Nhờ hệ thống phân phối khí mà khơng khí vào buồng đốt tái sinh phân phối đồng lớp xúc tác 2.2.3 Thiết bị làm mát tuần hồn xúc tác Hình 32: Hệ thóng làm mát tuần hồn xúc tác 34 Thiết bị cracking xúc tác nhà máy lọc dầu Hình 33: Mơ phận làm mát tuần hồn xúc tác Nhiệt độ q trình tái sinh xúc tác nói chung nhiệt độ xúc tác sau tái sinh (trước đưa vào lò phản ứng) có ảnh hưởng lớn đến chất lượng xúc tác tái sinh, lượng xúc tác tuần hoàn, hiệu suất thu hồi sản phẩm Việc điều khiển nhiệt độ xúc tác sau tái sinh cho phép điều khiển tỷ lệ nguyên liệu/xúc tác tùy thuộc vào nhiệt độ lò phản ứng yêu cầu, loại nguyên liệu, nhiệt độ nguyên liệu loại xúc tác sử dụng Thiết bị làm mát tuần hoàn xúc tác dạng thiết bị trao đổi nhiệt có cấu tạo đặc biệt (xem hình vẽ 32)Thiết bị bao gồm vỏ hình trụ bên có lắp chùm ống cho phép nước làm mát chảy qua, nước đưa vào ngăn trước phân phối vào ống trao đổi nhiệt Nước sau trao đổi với xúc tác nóng sẽchuyển thành thu gom vào ngăn đầu thiết bị chuyển ngồi (xem hình vẽ 333) Để hiệu làm mát xúc tác tốt hơn, hệ thống sục xúc tác khơng khí lắp đặt để tăng cường khuấy trộn pha xúc tác Xúc tác sau làm mát phía đáy thiết bị, thu gom vào ống vận chuyển xúc tác tuần hoàn lại buồng đốt tái sinh Nhờ chuyển động tuần hoàn xúc tác mà nhiệt độ buồng tái sinh xúc tác điều chỉnh cách linh hoạt nhờ điều khiển nhiệt độ xúc tác trước chuyển sang thiết bị phản ứng Sơ đồ cấu tạo tổng quát kết cấu thiết bị tái sinh trình bày hình vẽ 32 35 Thiết bị cracking xúc tác nhà máy lọc dầu 2.2.4 Hệ thống tách xúc tác Trong trình tái sinh xúc tác, lượng khí thải lớn tạo thành có nhiệt độ cao (khoảng 6500C-7800C tùy thuộc vào dạng thiết bị công nghệ), tốc độ chuyển động lớn kéo theo hạt xúc tác bụi xúc tác Để tránh hao hụt xúc tác trình tái sinh đảm bảo tiêu chuẩn môi trường lượng chất rắn lơ lửng khí thải, vấn đề đặt cần phải tách hạt xúc tác kéo theo dòng khí thải Để tách hạt xúc tác khỏi dòng khí, thiết bị tái sinh xúc tác phân xưởng cracking, nay, người tasửdụng cyclone khí Để tăng hiệu thu hồi xúc tác, hệ thống cyclone hai bậc sử dụng thiết bị tái sinh xúc tác 36 Thiết bị cracking xúc tác nhà máy lọc dầu Hình 34: Hệ thống cyclone tách xúc tác Đường kính cyclones nằm khoảng 1-1.5m, với chiều cao gấp 3-5 lần đường kính Các dòng cyclone cấp nối với đầu vào cyclone cấp 2, tất đầu cyclone cấp nối với Champer trước khỏi thiết bị tái sinh xúc tác Có loại Champer hình vẽ: 37 Thiết bị cracking xúc tác nhà máy lọc dầu Hình 35: Các loại Champer Các Cyclone tách hạt xúc tác có kích thước trung bình, chưa bị vỡ mài mòn trình phản ứng tái sinh, phần xúc tác có kích thước nhỏ bị theo dòng khí thải cần tiếp tục phải tách thiết bị phân chia pha rắn lỏng đặc biệt Khí thải sau tách hạt rắn xúc tác kéo theo xử lý tiếp để giảm thành phần khí độc hại (SOx NOx) để đáp ứng tiêu chuẩn mơi trường khí thải Cấu tạo bố trí cyclone tách xúc tác trình bày hình 34 38 Thiết bị cracking xúc tác nhà máy lọc dầu CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ CƠNG NGHỆ Qua lịch sử phát triển q trình cracking xúc tác, đồng thời qua phân tích đánh giá yêu cầu khác chế độ làm việc, nguyên liệu xúc tác ta thấy q trình FCC có nhiều ưu điểm thuận lợi, hệ thống sử dụng ngày phổ biến công nghiệp dầu mỏ, hãng cơng nghiệp hàng đầu lĩnh vực UOP, Kellogg, Shell, IFP, Exxon nghiên cứu để hoàn thiện nhằm mục đich đạt suất hiệu cao nhất, sử dụng nguyên liệu nặng hơn, tiết kiệm xúc tác phải kinh tế Qua thực tế dùng hệ thống cracking xúc tác lớp sôi sử dụng xúc tác dạng bụi hay vi cầu, người ta thấy có nhiều ưu điểm hệ thống cracking xúc tác lớp xúc tác chuyển động Những ưu điểm là: Các thiết bị q trình thiết bị phản ứng thiết bị tái sinh có cấu tạo đơn giản, so với dạng thiết bị khác trình cracking thực tế chúng hình rỗng Sự tuần hoàn xúc tác từ thiết bị phản ứng đến thiết bị tái sinh ngược lại nhờ vận chuyển liên tục khí giới hạn rộng Do khuấy trộn trộn mạnh mẽ xúc tác nguyên liệu dẫn đến đồng nhiệt độ toàn thể tích lớp xúc tác thiết bị phản ứng thiết bị tái sinh, khắc phục tượng nhiệt cục Hệ thống có khả chế biến dạng nguyên liệu khác nhau, từ nguyên liệu phân đoạn kerosen đến nguyên liệu nặng mazut, làm tăng tính vạn hệ thống Hệ thống có cơng suất làm việc lớn có thời gian tiếp xúc ngắn (thời gian tiếp xúc nguyên liệu xúc tác cực tiểu) dẫn đến việc đạt hiệu suất xăng cực đại olefin nhẹ không xảy phản ứng ngưng tụ bậc hai mà tạo xăng 39 Thiết bị cracking xúc tác nhà máy lọc dầu Ứng dụng phương pháp tái sinh (cháy hoàn toàn CO thiết bị tái sinh) dẫn đến đạt hàm lượng cất cặn thấp xúc tác Với ưu điểm nổ bật nên ta chọn sơ đồ cơng nghệ xúc tác lớp sôi FCC với thời gian tiếp xúc ngắn cho trình cracking xúc tác 40 Thiết bị cracking xúc tác nhà máy lọc dầu Tài liệu tham khảo 1.UOP FCC inovations developed using sophisticated Engineering tools, Lisa M Wolschlag and Keith A Couch, UOP LLC, a Honeywell Company Des Plaines, Illinois, USA Modeling and Simulation of FCC risers, Waleed Khalid Fadhil, B.Sc in Chem Eng 1998 Catalyst stripper improves FCC unit performance, Rama Rao Marri and Dalip Soni Lummus Technology, a CB&I Company FCC Spent Catalyst Stripper Technology, Paul D Wendt FCC Technology Manager CB&I Company New developments in FCC feed injection and stripping technologys, Rik B Miller, Yong-Lin Yang, and Eusebius Gbordzoe Kellogg Brown & Root, Inc 601 Jefferson AveHouston CFD Study of Industrial FCC Risers: The Effect of Outlet Configurations on Hydrodynamics and Reactions, Gabriela C Lopes1, Leonardo M Rosa1, Milton Mori1, Jos´ eR.Nunhez1, and Waldir P Martignoni2 7.School of Chemical Engineering, University of Campinas, 500 Albert Einstein Avenue, 13083-970 Campinas, SP, Brazil 8.PETROBRAS, 65 Rep´ ublica Chile Avenue, 20031-912 Rio de Janeiro, RJ, Brazil 41 ... thiết bị phản ứng cracking xúc tác (kiểu xếp chồng) 10 Thiết bị cracking xúc tác nhà máy lọc dầu Hình 7: Hình ảnh mơ cấu tạo thiết bị phản ứng cracking xúc tác 11 Thiết bị cracking xúc tác nhà máy. .. - Thiết bị tái sinh bậc - Thiết bị tái sinh hai bậc - Thiết bị tái sinh có phận làm mát tuần hoàn xúc tác (Catalyst Cooler) 29 Thiết bị cracking xúc tác nhà máy lọc dầu Thiết bị tái sinh xúc tác. .. cấu trúc nhánh Thiết bị cracking xúc tác nhà máy lọc dầu CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ CRACKING XÚC TÁC Hình 5: Sơ đồ tổng quát phân xưởng Cracking xúc tác 2.1 .Thiết bị phản ứng Hiện có nhiều Nhà cung cấp